Die maschinelle Beatmung schädigt bei inadäquaten Beatmungsdrucken sekundär die Lunge. Es konnte gezeigt werden, dass eine Beatmung deren Beatmungsdrucke durch globale PV-Kurven eingestellt wird die Prognose von Patienten mit akutem Lungenversagen günstig beeinflusst (Amato et al. 1998, Gattinoni et al. 1984, The Acute Respiratory Distress Syndrome Network 2000).
Druck-Volumen-Kurven der gesamten Lunge sind jedoch nicht repräsentativ für alle Lungenregionen, da sich die Atemmechanik regional unterscheidet. Deshalb wurde empfohlen bei Respiratoreinstellung regionale Inhomogenitäten in die Überlegungen mit einzubeziehen. Da Atelektasen innerhalb von Sekunden auftreten können (Neumann et al. 1998a, Rothen et al. 1999), sind Techniken wünschenswert, die die regionale Funktion der Lunge kontinuierlich, bettseitig und nicht invasiv überwachen (Rouby et al. 2002). Die derzeitigen Untersuchungsmethoden Computertomographie und Ventilationsszintigraphie sind im Gegensatz zu der elektrischen Impedanztomographie hierzu nicht geeignet. Ziel dieser Habilitationsarbeit war der Vergleich der elektrischen Impedanztomographie, die diese Voraussetzungen erfüllt, mit klinisch etablierten Verfahren der Luftgehalts- und Ventilationsmessung und die Einführung von Parametern zur Messung der regionalen Ventilation.
1)
4) Inaugurierung bettseitiger Parameter zur Überwachung der regionalen Ventilation (Studie IV und V).
Die Ergebnisse der Studie I bestätigen, dass die EIT regionale Luftgehaltsänderungen der Lunge und deren Inhomogenität in ventralen, medialen und dorsalen Regionen beider Lungen messen kann. Die Unterschiede beruhen auf den Unterschieden der Messtechniken zwischen EIT und CT und sind in Bezug auf den Vergleich nicht unkritisch. EIT misst die elektrischen Eigenschaften des Lungengewebes und hat eine zeitliche Auflösung von 45 EIT-Bilder⋅s-1. Dies ist somit im Vergleich zu möglichen 4 CT-Bilder⋅s-1 deutlich höher. Jedoch ist die örtliche Auflösung der EIT mit 8% des Thoraxdurchmessers, so dass Volumina zwischen 9 ml und 29 ml untersucht werden können, geringer als die des CT (Brown und Barber 1987, Hahn et al. 1998). Die EIT ist deshalb geeigneter zur Messung funktioneller Änderungen der Lunge. Das CT hingegen misst die Gewebedichte und ist damit geeigneter zur Messung anatomischer und morphologischer Strukturen. Da bei unserer Untersuchung die Änderung des Luftgehalts zwischen end-exspiratorischen und end-inspiratorischen Status während ununterbrochener maschineller Beatmung berechnet wurde, ist die deutlich unterschiedliche zeitliche Auflösung in Bezug auf die untersuchte Ventilationsamplitude beim CT ungenauer als beim EIT. Bei einer Inspirationszeit von zwei Sekunden (Respiratorfrequenz 10⋅Minute-1, I:E=1:1,3) werden mit dem CT lediglich 8 CT-Bilder und mit der EIT 26 EIT-Bilder untersucht, so dass die end-inspiratorischen und end-exspiratorischen Respiratorphasen mit der EIT wegen der höheren zeitlichen Auflösung exakter detektiert werden. Ein weiterer Unterschied zwischen EIT und CT besteht in der
Ausdehnung und Form der untersuchten Schicht. Während eine untersuchte CT-Schicht eine nahezu gleichmässige CT-Schichtbreite aufweist, fliesst der elektrische Strom der EIT entlang der Äquipotential-Linien, so dass auch Lungengewebe im Randbereich der durch die Elektroden definierten transversalen Thoraxschicht untersucht werden (Rabbani und Kabir 1991). Aus diesem Grund wurde mit dem CT eine multi-slice Untersuchung mit insgesamt vier CT-Schichten durchgeführt, um eine 4 cm CT-Schicht zu untersuchen. Die Ergebnisse der Studie zeigen beim Vergleich der regionalen Ventilation von EIT und CT eine schlechtere Korrelation in den mittleren und ventralen Lungenregionen. Hierfür sind vermutlich zwei Effekte verantwortlich. Bei den auf dem Rücken liegenden Tieren findet eine Bewegung des Thorax in ventraler Richtung statt. Der Bildrekonstruktionsalgorithmus berücksichtigt im Gegensatz zum CT keine Bewegungen des untersuchten Körpers, so dass das CT die ventralen Thoraxexkursionen im Gegensatz zum EIT mit untersucht. Ein weiterer Grund liegt in Impedanzartefakten durch den pulsatilen Blutstrom des ventral liegenden Herzens (Faes et al. 1999, Frerichs et al. 2002b, Vonk et al. 1997). Trotz der erwähnten Unterschiede sind sowohl die EIT (Nopp et al. 1993) als auch das CT (Drummond 1998) geeignet Unterschiede im regionalen Lungenvolumen zu messen. Die Hauptaussage der Studie I liegt in der trotz der beschriebenen Limitierungen guten Übereinstimmung von EIT und CT zur regionalen
EIT mit der Ventilationsszintigraphie (SPECT) durchgeführt und eine gute Korrelation der EIT mit SPECT gefunden (Kunst et al. 1998). In dieser Studie wurde das Verhältnis der Ventilation der rechten und linken Lunge als „regions-of-interests“ (ROI) mit der EIT und SPECT verglichen. Der Unterschied in unserer Studie lag in der höheren örtlichen Auflösung. Während Kunst und Mitarbeiter zwei ROIs verglichen und wegen des schlechten Signal-Rausch-Abstandes jeweils 10 EIT-Bilder mitteln mussten, um ein EIT-Bild zu berechnen, untersuchten wir 20 Regionen, die von dorsal nach ventral verliefen. Die erhöhte Anzahl der ROIs war möglich, da das in der Abteilung Anästhesiologische Forschung entwickelte und von uns verwendete EIT-Gerät ein deutlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis aufwies (Hahn et al. 2001), so dass 912 ROIs mit 45 EIT-Bildern⋅s-1 gemessen werden konnte. Der Auswertealgorithmus des SPECT liess jedoch nur 20 dorso-ventrale Schichten als ROI zu. Wir beobachteten eine gute lineare Korrelation zwischen EIT und SPECT unabhängig davon, ob es sich um Spontanatmung oder kontrollierte Beatmung handelt (s. Abbildung 11, Seite28). Wir fanden auch keinen Unterschied in der Korrelation in Abhängigkeit von der Schwere des Lungenschadens (s. Abbildung 13, Seite 30), der Compliance oder des extravaskulären Lungenwassers. Wir beobachteten jedoch, das EIT die regionale Ventilation im Vergleich zu SPECT in den gut ventilierten Regionen unterschätzt. Wohingegen EIT die regionale Ventilation in den schlecht ventilierten Regionen überschätzt. Ein Grund hierfür könnte in der Ablagerung des Indikators in den Atemwegen sein, da hierdurch eine erhöhte Ventilation in diesen Regionen vortäuscht wird. Ein weiterer Grund liegt vermutlich in den Besonderheiten der Bildrekonstruktion. In einem mit
isotoner Kochsalzlösung gefüllten Gefäss als physiologischem Modell eines Thorax wurde der lineare Bereich des Bildrekonstruktionsalgorithmusses untersucht. Bis zu 20% Impedanzänderung verhält sich der Algorithmus linear.
Wir beobachteten Impedanzänderungen bis zu 25 %, so dass die Fehlschätzungen darauf zurückzuführen sein können. Zusätzlich basiert der back-projection-Algorithmus auf einigen Annahmen, die zum Teil bei Thoraxuntersuchungen und Lungenversagen verletzt werden. Das zu untersuchende Objekt muss zwei-dimensional und rund sein, die regionale Impedanz muss homogen sein und die Elektroden müssen äquidistant um das Objekt verteilt sein (Barber 1990). Die Limitierungen der zeitlichen und räumlichen Auflösung, die bereits in Studie I beim Vergleich mit dem CT besprochen wurden, gelten für den Vergleich der EIT mit SPECT ebenso. Die Hauptaussage der Studie II liegt in der trotz der beschriebenen Limitierungen guten Übereinstimmung von EIT und SPECT zur regionalen Ventilationsmessung bei Schweinen mit ARDS. Die Ergebnisse sind mit hoher Wahrscheinlichkeit auf den beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen oder ARDS übertragbar.
Das end-exspiratorische Lungenvolumen (EELV) ist ein Parameter zur Beurteilung der Lungenfunktion beatmeter Patienten, da es indirekt Informationen über Atelektasen oder mögliche Überblähung gibt (Dambrosio et al. 1997, Gattinoni et al. 1995, Hedenstierna 1993). Eine kontinuierliche Überwachung ist
wünschenswert ist. Die Studie III wurde deshalb durchgeführt, um EELV-Änderungen mit EIT und dem offenen Stickstoffauswaschvorgang als Referenzverfahren miteinander zu vergleichen (Darling et al. 1940, Wrigge et al.
1998). Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhöhung des EELV eine Erhöhung des end-exspiratorischen Impedanzniveaus nach sich zieht und dass dieser Zusammenhang eine hohe lineare Korrelation aufweist. Jedoch wird bei kleinen EELV-Änderungen die Änderung von EIT überschätzt, während bei grossen EELV-Änderungen die Lungenvolumenänderungen von EIT unterschätzt werden.
Der Einfluss des Bildrekonstruktionsalgorithmus auf die Impedanzberechnung wurde bereits oben erläutert. Ein weiterer Grund liegt darin, dass ein offener Stickstoffauswaschvorgang die Änderung des EELV der gesamten Lunge misst, wohingegen die EIT die Änderung in einer ca. 4 cm dicken Thoraxschicht untersucht. Beim akuten Lungenversagen liegen nicht nur regionale Inhomogenitäten in dorso-ventraler Richtung vor, sondern auch in cephalo-caudaler Richtung (Puybasset et al. 2000, Wrigge et al. 2003), so dass die Ergebnisse hiervon beeinflusst werden können. Ein möglicher Ausweg aus diesem Problem könnten die Einfügung weiterer EIT-Untersuchungsebenen oder die Entwicklung eines dreidimensionalen EIT sein (Metherall et al. 1996). Zusätzlich muss angemerkt werden, dass ein offener Stickstoffauswaschvorgang auf dem vollständigen Auswasch des Indikators beruht. Lungenregionen mit langen Zeitkonstanten, wie man sie üblicherweise bei Patienten mit Lungenversagen findet, werden deshalb möglicherweise nicht vollständig vom Indikator ausgewaschen, so dass das EELV geringer ausfällt als die Ergebnisse, die auf der Messung der EIT beruhen.
Studie IV wurde durchgeführt, um bettseitig auf der Intensivstation den Einfluss von PEEP auf die regionale Ventilation bei mechanisch beatmeten Patienten mit akutem Lungenversagen zu untersuchen Wir fanden eine Verbesserung des Gasaustausches bei schrittweiser Erhöhung des PEEP von 0 mbar auf 15 mbar. Die Verbesserung des Gasaustausches beruht zum Teil auf einer Zunahme des EELV, die auf einer Umverteilung nicht ventilierter Regionen hin zu gut ventilierten Regionen basiert. Die beobachtete verbesserte regionale Ventilation nach Änderung von 15 mbar PEEP auf 0 mbar PEEP im Vergleich zur regionalen Ventilation zu Beginn der Studie bei 0 mbar PEEP basiert vermutlich auf nachhaltiger Rekrutierung atelektatischer Regionen durch ein Studienprotokoll, dass einem „PEEP trial“ sehr ähnlich ist (Lim et al. 2003).
Ein methodisches Problem dieser Untersuchung basiert darauf, dass mit der EIT nur Untersuchungen in einer EIT-Ebene durchgeführt werden können und dass bereits wie oben erwähnt regionale Inhomogenitäten nicht nur in dorso-ventraler sondern auch in cranio-caudaler Richtung gefunden wurden (Puybasset et al. 2000, Wrigge et al. 2003). Während der mechanischen Beatmung wandert zusätzlich die Lunge innerhalb der Untersuchungsebene nach caudal, so dass durch die EIT verschiedene Lungenregionen untersucht werden. Die Analyse einer einzigen EIT-Ebene wird damit die regionale Inhommogenität möglicherweise unterschätzen. Gleiche Vorbehalte wurden bereits früher bei
die sowohl durch Veränderungen im Luftgehalt als auch durch den pusatilen Blutfluss generiert werden (Faes et al. 1999, Frerichs et al. 2002b, Wtorek und Polinski 2005). Die regionalen Impedanzänderungen weisen deshalb eine grosse interindividuelle Heterogenität auf, so dass nicht zwischen Thoraxwand und Atelektase unterschieden werden kann. Zusätzlich können Atelektasen im geringen Signal-Rauschverhältnis der verwendeten EIT Gerätes älterer Generation versteckt sein. Da in unserer untersuchung die nicht ventilierten Regionen sowohl aus Thoraxwand, Mediastinum und Atelektasen bestanden, wurde eine Abnahme der nicht ventilierten Regionen bei physiologischerweise konstantem Anteil von Thoraxwand und Mediastimun als Rekrutierung einer Atelektase gewertet. In der Studie IV wurde als Grenzwert von 10% der maximal beobachteten Impedanzänderung als Atelektase bewertet (Hahn et al. 1996). In der Studie V wurde ein EIT-Gerät neuerer Generation verwendet mit deutlich verbessertem Signal-Rausverhälniss, so dass neue Konzepte der Atelektasendetektion verwendet werden konnten.
Bei mechanisch beatmeten Patienten treten Atelektasen hauptsächlich in den dorsalen Lungenabschnitten aufgrund des hydrostatischen Druckes und der reduzierten Zwerchfellbeweglichkeit bei maschineller Beatmung ohne Spontanatmungsanteil auf (Hedenstierna et al. 1985). PEEP vermeidet den regionalen Kollaps dann, wenn der PEEP gleich oder grösser dem regionalen hydrostatischen Druck ist (Gattinoni et al. 1993). Diese Ergebnisse wurden durch unsere Studie bestätigt. Zusätzlich fanden wir eine Rekrutierung atelektatischer Regionen in den dorsalen Lungenabschnitten (s. Abbildung 17, Seite 36).
Ein inadäquater Atemwegsspitzendruck der durch Beatmung mit hohen Tidalvolumina (> 8 ml/KG) und hohem PEEP entstehen kann, schädigt die Lunge sekundär durch Überblähung von bereits geöffneten Lungenregionen, welches zum Einreissen der Alveolarmembran führt. Die von uns in Studie IV eingeführte Methode der Messung von Ventilationsgruppen kann ausschliesslich atelektatische Regionen detektieren, ist jedoch nicht geeignet, um regionale Überblähungen zu detektieren, die eventuell auch dynamisch auftreten können.
Aus diesem Grund wurde in Studie V die regionale Atemmechanik untersucht, um einen adäquaten PEEP zur Vermeidung von zyklischem Kollabieren atelektatischer Regionen und obere Grenzwerte des Spitzendruckes zur Vermeidung regionaler Überblähungen zu bestimmen.
In Studie V untersuchten wir regionale Druck-Volumen-Kurven beatmeter Patienten mit akutem Lungenversagen und fanden eine ausgeprägte Heterogenität unterer und oberer Inflektionspunkte. Bisher wurde angenommen, dass der PEEP aus dem unteren Inflektionspunkt einer globalen PV-Kurve bestimmt werden kann (Albaiceta et al. 2004, Crotti et al. 2001, Hickling 1998) und dass der Atemwegsspitzendruck den oberen Inflektionspunkt nicht überschreiten sollte (Matamis et al. 1984). In letzter Zeit wurde jedoch vermutet, dass die Kurvenform einer globalen Druck-Volumen-Kurve durch regionale atemmechanische Eigenschaften der Lunge beeinflusst wird und dass eventuell globale PV-Kurven
Dies konnten wir in unseren Ergebnissen bestätigen. Die Medianwerte der regionalen LIP und UIP stimmten mit den LIP und UIP aus den globalen Messungen der Pneumotachographie überein. Jedoch fanden wir eine ausgeprägte Heterogenität der regionalen LIP und UIP sowohl in Hinblick auf die Druckwerte als auch die Anzahl der Regionen und deren örtliche Verteilung (s. Abbildung 18 Seite 39 und Abbildung 19 Seite 40). Hieraus lässt sich vermuten, dass eine Rekrutierung von Atelektasen auch jenseits des unteren Inflektionspunktes der globalen PV-Kurve geschieht. Weiterhin konnten wir nicht bei allen Patienten bei der globalen Druck-Volumen-Kurve eindeutige Inflektionspunkte bestimmen.
Dies wurde ebenfalls von anderen Autoren bereits beschrieben (Sydow et al.
1991, Sydow et al. 1993). Bezüglich der ausgeprägten regionalen Heterogenität der LIP und UIP wurden ähnliche Befund bereits im Tierversuch gefunden (Kunst et al. 2000). Wir fanden eine deutliche schwerkraftabhängige Verteilung der LIP und UIP. Ähnliche Ergebnisse wurden ebenfalls bereits in der Kunst-Studie vorgestellt. Die Rekonstruktion von regionalen Inflektionspunkten hängt jedoch von der örtlichen und zeitlichen Auflösung der verwendeten EIT-Hardware ab (Hahn et al. 2001, Harris et al. 1987). In bisherigen Studien wurde eine örtliche regionale Auflösung von zwei ROI (ventrale und dorsale Thoraxhälfte) innerhalb der untersuchten EIT-Ebene gewählt, wohingegen wir eine Auflösung von 912 ROIs innerhalb der EIT-Ebene untersuchten. Zusätzlich werden Inflektionspunkte durch geringe Samplingfrequenzen überschätzt. Wir verwendeten deshalb eine zeitliche Auflösung von 13 EIT-Bildern pro Sekunde.
Mehrere Autoren verwiesen auf die Bedeutung der regionalen Informationen, die die elektrische Impedanztomographie liefert. Insbesondere
wurde darauf hingewiesen wie sehr regionale sich von globalen Messwerten unterscheiden (Arnold 2004, Frerichs et al. 2003, van Genderingen et al. 2004, Victorino et al. 2004, Wolf und Arnold 2005). Die Messung der regionalen LIP und UIP bietet den Vorteil sowohl der topographischen als auch histographischen Darstellung. Die histographisch Darstellung zeigt jedoch, dass ein PEEP, der nötig wäre, um in allen Lungenregionen ein zyklischen Kollabieren und Wiedereröffnen zu verhindern, dazu führt, dass in anderen Lungenregionen der UIP überschritten wird und somit ein Atemwegsdruck erreicht wird, der zur Überblähung dieser Regionen führt. Hieraus lässt sich schliessen, dass sowohl Rekruitment als auch Überblähung in Lungen mit akutem Lungenversagen nebeneinander vorliegen. Die Beatmung mit hohen PEEP führt zwangsläufig zu einer gewissen Überblähung (Vieira et al. 1998) bevorzugt in gut belüfteten ventralen Lungenarealen (Gattinoni et al. 1995). Auch dadurch können sekundäre Lungenschäden als Folge eines Barotraumas entstehen. Als Konsequenz muss bei der Beatmungseinstellung ein Kompromiss gefunden werden, zwischen dem Bemühen durch ausreichend hohen PEEP ein zyklisches Kollabieren und Wiedereröffnen geschädigter Lungenareale zu vermeiden und andererseits gesunde Lungenabschnitte nicht zu stark zu überblähen. Die EIT könnte eventuell hilfreich sein beim Verständnis der Mechanismen der Entstehung des sekundären Lungenversagens. Jedoch wird aus unseren Ergebnissen deutlich, dass der PEEP,
In der aktuellen Literatur wurde deutlich, dass noch nicht abschliessend geklärt ist, ob eine PV Kurve in Form eines inspiratorischen oder exspiratorischen Manövers durchgeführt werden sollte (Rouby et al. 2002). In einer Studie bei beatmeten Patienten mit frühem akuten Lungenversagen konnte gezeigt werden, dass eine PEEP Einstellung anhand einer exspiratorischen PV-Kurve vorteilhafter für den Patienten ist als anhand einer inspiratorischen PV-Kurve (Albaiceta et al.
2004, Rouby 2004). Prinzipiell ist es möglich mit der EIT exspiratorische PV-Kurven zu konstruieren. Auch die Wahl anderer Manöver zur Konstruktion von PV-Kurven sollte für die EIT unproblematisch sein. In unserer Studie verwendeten wir ein Low-Flow-Manöver, um den Einfluss des Atemwegswiderstandes auf die Atemmechanik zu reduzieren. Diese Methode ist einfach, reproduzierbar und erlaubt die Visualisierung des initialen Anteils einer PV-Kurve (Mankikian et al. 1983). Prinzipiell sollten andere Manöver wie „super syringe“ (Mead et al. 1957), „flow interruption“ (Gottfried et al. 1985), “PEEP-Wave” (Putensen et al. 1989), “static compliance by automated single steps”
(Sydow et al. 1993) und “dynamic loop” (Lu et al. 1999) möglich sein, um PV-Kurven zu generieren. Jedoch benötigen diese Verfahren eventuell eine off-line Bearbeitung der PV-Kurven.
Zusammenfassend lässt sich aus der Studie V schlussfolgern, dass sich mit der EIT regionale LIP und UIP berechnen lassen. Diese Technik ist eventuell hilfreich, um anhand der histographischen Verteilungen möglicherweise den Atemwegsdruck so zu wählen, dass exspiratorischer Kollaps und end-inspiratorische Überblähung bei Patienten mit Lungenversagen in der Mehrzahl der Regionen vermieden wird.